红外传感器的基本原理，红外气体传感器的工作原理

很多朋友对红外传感器的基本原理，红外气体传感器的工作原理不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择性吸收特性，利用气体浓度与吸收强度的关系来识别气体成分并确定其浓度的气体传感器件。

与电化学传感器、催化燃烧传感器、半导体传感器等其他类型的气体传感器相比，它具有应用广泛、寿命长、灵敏度高、稳定性好、适用多种气体、性价比高、维护成本低、可在线分析等一系列优点。它广泛应用于石油化工、冶金工业、工矿、大气污染检测、农业、医疗卫生等领域。

分布中的电子总是处于一定的运动状态，每个状态都有一定的能量，属于一定的能级。在光、热和电的激发下，电子从一个能级移动到另一个能级，这就是所谓的跃迁。当这些电子吸收外部辐射的能量时，它们从一个较低能级跳到另一个较高能级。由于分子内部运动涉及的能级变化复杂，分子吸收光谱也复杂。

除了电子的运动状态，原子核之间也有相对运动，即原子核的振动和分子绕重心的转动。但是振动能和转动能按照量子力学是不连续的，也就是量子化的。因此，分子吸收外界辐射后，其能量变化AE为其振动能量变化AEy、转动能量变化AEr和电F运动能量变化AEe之和。

物质对不同波长的光有不同的吸收能力，只能选择性地吸收那些能量相当于振动能量AE变化之和的辐射。转动能AEr的变化和电子运动能的变化。由于各种物质的内部结构不同，分子的能级也有很大差异，各种能级之间的间隔也不同，这就决定了它们对不同波长的光的选择性吸收。

如果改变穿过吸收物质的入射光的波长，记录该物质在每个波长的吸光度(a)，然后以波长为横坐标、吸光度为纵坐标绘制光谱，则得到的光谱称为该物质的吸收光谱或吸收曲线。物质的吸收光谱反映了其吸收能力在不同光谱区域的分布，从波形、峰的强度、位置和数量可以研究物质的内部结构。

分子的振动能大于转动能。当振动能级跃迁发生时，必然伴随着转动能级跃迁，因此无法测量纯振动光谱，只能测量分子的振动和转动光谱，称为红外吸收光谱。红外吸收光谱是分子吸收光谱的一种。

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，导致分子振动和转动能级从基态跃迁到激发态，使这些吸收区对应的透射光强度减弱。通过记录红外光的百分透射率与波数或波长之间的关系曲线，可以获得红外光谱。

当红外波长与待测气体的吸收光谱一致时，红外能量被吸收。红外线通过被测气体后的强度衰减满足朗伯-比尔定律。气体浓度越大，光的衰减越大。因此，可以通过测量气体对红外光的衰减来测量气体浓度。为了保证数字线性，当待测组分浓度较大时，分析仪的测量气室较短，最短为0.3mm浓度较低时，测量气室较长，最长大于200 mm

吸收后剩余的光可以被红外探测器探测到。

分光是指利用棱镜或光栅将光源发出的红外光分成完全对称的两束：参考光束和样品光束。它们被半圆形调制镜调制，交替进入单色仪的狭缝。在被棱镜或光栅分离后，两束光之间的强度差被热电偶检测到。当样品光束的光路中没有样品吸收时，热电偶不输出信号。

一旦放入测试样品，样品会吸收红外光，两束光之间存在强度差异。热电偶有大约10Hz的信号输出，该信号被放大并传输到机器。调节参考光束光路上的光楔，使得两个光束的强度再次平衡。笔的记录位置直接表示样品在某一波长的透过率，波数的连续变化自动记录样品的红外吸收光谱或透射光谱。基于这种原理的气体传感器称为光谱红外气体传感器。

随着红外光学材料和微电子封装技术的发展，不同气体的窄带干涉滤光片被固定在红外探测器的封装上。通过使用固定有不同波长滤光片的红外传感器，可以实现对不同气体的测量。

热释电材料是一种具有自发极化的电介质，其自发极化强度随温度变化，可用热释电系数p=dPldT来描述(P为极化强度，f为温度)。在恒温下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附的电荷中和。如果将热电材料制成表面垂直于偏振方向的平行片，当红外辐射入射到片的表面时，由于辐射的吸收，片的温度发生变化，导致偏振强度的变化。

但由于材料电阻率高，中和电荷跟不上

这种变化的结果是，在薄板的两个表面之间出现了瞬态电压。如果在两个表面之间连接一个外部电阻，电荷将通过外部电路释放。电流不仅与热释电系数成正比，还与薄片的温度变化率成正比，可以用来测量入射辐射的强度。

热释电红外探测器都是由硫酸三乙烯(TGS)、钽酸锂(LiTa03)等小片优质热释电材料(P的数量级为10-8C/Kcm2)作为响应元件，加上支架、外壳和窗口组成。当它在室温下工作时，对波长没有选择性。

热电堆的结构辐射接收面分为若干块，每块连接一个热电偶，它们串联起来形成热电堆。根据不同的用途，实用的热电堆可以做成细线和薄膜型，也可以做成多通道和阵列器件。红外带通滤波器传感器用于检测红外吸收气体。

热释电和热电堆红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元件的温升来测量红外辐射，响应时间取决于建立新的平衡温度的过程，耗时较长，无法测量快速变化的辐射信号。热释电探测器利用温度变化率，所以可以探测到快速变化的辐射信号。该探测器在室温下工作时探测率可达D:1 ~ 2109cm Hz/w。

自20世纪70年代中期以来，这种探测器在实验室的光谱测量中逐渐取代了热电探测器和气动探测器。

利用这些窗口对红外探测器进行滤波，可以直接测量出相应滤波带即相应气体吸收带的红外强度，而不需要分光。这种气体传感器被称为NDIR气体传感器。近红外CO2传感器如图2-7所示。

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